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Desintegración del protón

Diagrama de la desintegración de un protón en un positrón y un pión neutro (p → e + + π 0 ) La desintegración del protón es el proceso clave para comprobar la estabilidad de la ...

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Diagrama de la desintegración de un protón en un positrón y un pión neutro (p → e + + π 0 )

La desintegración del protón es el proceso clave para comprobar la estabilidad de la conservación de la materia y del número bariónico , y ha sido durante mucho tiempo objeto de interés tanto teórico como experimental. La violación de la conservación del número bariónico es uno de los tres ingredientes clave para explicar la asimetría de materia y antimateria en el Universo, tal como la formuló por primera vez Andrei Sakharov en 1967. [ 1 ]

A pesar de los importantes esfuerzos experimentales, nunca se ha observado la desintegración del protón. El límite inferior experimental actual sobre la vida media del protón (τpag{\displaystyle \tau _{p}}) es2,4 × 10 34  años (en el canal de desintegración en un positrón y un pión neutro : p → e + + π 0 ). [ 2 ]

Según el Modelo Estándar , el protón , un tipo de barión , es estable porque el número bariónico se conserva . Dado que los protones son los bariones más ligeros del modelo, no pueden desintegrarse en otras partículas por sí solos y, por lo tanto, son estables. Sin embargo, la conservación del número bariónico es una simetría global accidental del Modelo Estándar, no asociada a ninguna simetría de gauge fundamental, ligeramente violada por efectos de esfalerón SU(2) L no perturbativos , [ 3 ] despreciables a bajas temperaturas pero relevantes en el Universo temprano.

La emisión de positrones y la captura electrónica —formas de desintegración radiactiva en las que un protón se convierte en un neutrón— no son desintegración de protones, porque en estos procesos el protón interactúa con otras partículas dentro del átomo.

Las teorías de gran unificación (GUT) rompen explícitamente la simetría del número bariónico, permitiendo que los protones se desintegren a través de la partícula de Higgs , monopolos magnéticos o nuevos bosones X con una vida media en el rango de 10³¹ a 10³⁶ años . En comparación, el universo es aproximadamente1,4 × 10 10 (14 mil millones) años de antigüedad , lo que es al menos veinte órdenes de magnitud menor. Aunque a primera vista pueda parecer casi imposible explorar vidas tan largas, es suficiente monitorear 10 34 protones por año (con eficiencia = 1) para ser sensible a vidas medias de 10 34 años. Aproximadamente 10 34 protones están contenidos en aproximadamente 30 kton de agua, un poco más que el volumen fiducial del experimento más sensible actualmente en funcionamiento, Super-Kamiokande .

El canal de desintegración más fácil de detectar es el que se produce en un positrón y un pión neutro .pag→mi+π0{\displaystyle p\rightarrow e^{+}\pi ^{0}}, una predicción común de muchos modelos GUT. Este canal tiene una señal muy limpia, sin partículas invisibles en el estado final. Esto permite la reconstrucción completa de la masa del protón a partir de los productos de desintegración y, dado que se trata de una desintegración de dos cuerpos , se espera que el momento de retroceso total sea pequeño.

Las extensiones supersimétricas de los modelos GUT favorecen lapag→ν¯μK+{\displaystyle p\rightarrow {\overline {\nu }}_{\mu }K^{+}}El canal de desintegración es más difícil de detectar en detectores Cherenkov de agua porque el antineutrino sale del detector sin perturbarlo y el momento del kaón está por debajo del umbral de producción de luz Cherenkov en el agua. El proceso se puede identificar detectando los muones producidos por la desintegración de kaones en reposo, así como los rayos gamma emitidos cuando un nucleón se desintegra dentro del núcleo de oxígeno . El núcleo puede permanecer en un estado excitado después de esta desintegración, desde el cual se relaja rápidamente emitiendo rayos gamma.

Otros procesos pueden permitir experimentos para probar la conservación del número bariónico, como las oscilaciones neutrón-antineutrón y los procesos específicos de conversión nucleón-antinucleón, accesibles a través de la dispersión electrón-deuterón. [ 4 ]

Historia

En el Modelo Estándar (ME), la estabilidad de la materia se describe asignando un número bariónico B = +1 al protón (el barión más ligero), siguiendo el principio de conservación propuesto por Hermann Weyl en 1929. Ernst Stueckelberg postuló formalmente la ley de conservación del número bariónico (carga pesada en ese momento) en 1939. [ 5 ]

En la década de 1950 se comprendió que los límites de la desintegración del protón eran extremadamente largos. La mera existencia de formas de vida avanzadas en la Tierra implicabaτpag≳1016{\displaystyle \tau _{p}\gtrsim 10^{16}}año, [ 6 ] en el mismo documento se citó un límiteτpag≳1021{\displaystyle \tau _ {p}\gtrsim 10^{21}}año a partir de la ausencia de fisión espontánea de 232 Th inducida por la desintegración de nucleones. Límites geoquímicos más refinados a partir de búsquedas en moscovita de rastros dejados en tiempos geológicos por piones de la desintegración de nucleones, derivaron un límite inferiorτpag≳2×1027{\displaystyle \textstyle \tau _{p}\gtrsim 2\times 10^{27}}año [ 7 ] Los experimentos radioquímicos que utilizaron 1710  kg de acetato de potasio subterráneo (KC 2 H 3 O 2 ) establecieron un límite similar (τpag≳1026{\displaystyle \textstyle \tau _ {p}\gtrsim 10^{26}}yr) mediante la detección de la cadena de desintegración 39 K→ 38 Ar→ 37 Ar . [ 8 ]

Por encima de la escala electrodébil Λ EW (que corresponde al valor esperado del vacío del campo de Higgs, alrededor de 246 GeV), donde ocurre la unificación del Modelo Estándar, las tres fuerzas fundamentales tienen acoplamientos comparables, lo que sugiere la unificación en las Teorías de Gran Unificación (GUT). Modelos históricos como el modelo de Pati-Salam (1973), [ 9 ] que unifica quarks/leptones y el modelo de Georgi-Glashow (1974), [ 10 ] que unifica todas las fuerzas y partículas/antipartículas, predicen la violación de B a través de bosones de gauge superpesados ​​M X . La escala de energía natural de la GUT Λ GUT es donde convergen los acoplamientos de gauge del SM, ~10 15 GeV. Este valor es aproximadamente trece órdenes de magnitud más alto que la escala electrodébil, o más de once órdenes de magnitud más alto que la energía alcanzable en experimentos realizados en aceleradores de partículas . Sin embargo, a estas energías, la estimación de la vida media de desintegración del protón es de alrededor de 10 29 –10 31 años, al alcance de experimentos dedicados: cuando se propusieron las GUT, los límites experimentales eran de alrededor de 10 30 años (para modos de desintegración que producen desintegraciones 𝜇 →𝑒). [ 11 ] [ 12 ] Estas consideraciones motivaron fuertemente las búsquedas de desintegración del protón.

En 1981 se publicó el primer límite alcanzado por un detector Cherenkov de agua en la mina de oro Homestake, que buscaba la producción y detección de un muón en desintegración tras un evento de desintegración de nucleón:τpag≳3×1031Bμ{\displaystyle \textstyle \tau _ {p}\gtrsim 3\times 10^{31}B_{\mu }}año, dondeBμ{\displaystyle \textstyle B_{\mu }}es la probabilidad dependiente del modelo para este canal de desintegración particular (o relación de ramificación ). [ 13 ] A principios de los 80 comenzaron varios experimentos. [ 14 ] Algunos se basaron en detectores de tipo calorímetro, incluidos los experimentos de partículas en Kolar Gold Fields (India), [ 15 ] NUSEX ( Túnel Mont Blanc , Italia ), [ 16 ] Fréjus ( Túnel de carretera de Fréjus , Francia ), [ 17 ] Soudan ( Minnesota , EE. UU. ); [ 18 ] mientras que otros fueron detectores Cherenkov de agua: IMB ( Ohio , EE. UU. ), HPW ( Utah , EE. UU . ), [ 19 ] KamiokaNDE ( Japón ). [ 20 ]

El experimento IMB publicó un límite notable para el canal de desintegración p → e + π 0τpag≥6.5×1031{\displaystyle \textstyle \tau _{p}\geq 6.5\times 10^{31}}año (1983) [ 21 ] (de ahora en adelante se omite el término de relación de ramificación) y proporcionó el primer límite parapag→ν¯μK+{\displaystyle p\rightarrow {\overline {\nu }}_{\mu }K^{+}}:τpag≥1031{\displaystyle \textstyle \tau _{p}\geq 10^{31}}año, [ 22 ] pero en los últimos 40 años, la escena experimental ha estado dominada por el experimento KamiokaNDE y su sucesor Super-Kamiokande . [ 23 ]

La construcción del experimento KamiokaNDE, bajo la dirección de Masatoshi Koshiba, se completó en 1983. El detector era un tanque cilíndrico (16 m de altura y 15,6 m de diámetro) que contenía 3000 toneladas de agua pura, equipado con aproximadamente 1000 tubos fotomultiplicadores (PMT) dispuestos en la superficie lateral. [ 24 ] Estaba ubicado en la mina de zinc de Kamioka (cerca de la ciudad de Hida , prefectura de Gifu , Japón ). [ 25 ] Los fotomultiplicadores detectaban la luz Cherenkov , emitida por partículas cargadas que atravesaban el agua a velocidades superiores a la velocidad de la luz en el medio.

KamiokaNDE pudo establecer límites inferiores estrictos en la vida útil del protón (τpag{\displaystyle \tau _{p}}> 2,6 × 10 32 años con un nivel de confianza del 90% para el canal de desintegración p → e + + π 0 ), [ 26 ] descartando así todos los modelos de gran unificación más simples de partículas elementales.

El gran éxito de KamiokaNDE motivó a la colaboración a proponer una mejora gigantesca del detector: Super-Kamiokande , un cilindro de 41,4 m de altura y 39,3 m de diámetro que contiene 50.220 toneladas de agua ultrapura , 17 veces más masivo que KamiokaNDE. La construcción de Super-Kamiokande comenzó en 1991 y finalizó en 1996.

Los límites más actualizados de Super-Kamiokande, que aún están en funcionamiento, son:

  • 2,4 × 10 34  años para la desintegración en un positrón y un pión neutro (p → e + + π 0 ), [ 2 ]
  • 1,6 × 10 34  años para la desintegración en un antimuón y un pión neutro (p → μ + K 0 ), [ 2 ]
  • 0,59 × 10 34  años para la desintegración en un antineutrino muónico y un kaón positivo (p → ν̄K + ). [ 27 ]

Dos premios Nobel de física de neutrinos fueron otorgados a científicos por trabajos realizados con instalaciones experimentales diseñadas originalmente para detectar la desintegración del protón. En 2002, Masatoshi Koshiba fue galardonado "por contribuciones pioneras a la astrofísica, en particular por la detección de neutrinos cósmicos" [ 28 ] mediante la mejora del experimento KamiokaNDE [ 29 ] (compartiendo la mitad del premio con Raymond Davis Jr. por las mismas motivaciones). T. Kajita, de la colaboración Super-Kamiokane [ 30 ] , recibió el Premio Nobel de 2015 "por el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, que demuestra que los neutrinos tienen masa" [ 31 ] conjuntamente con Art McDonald , del experimento SNO .

Búsquedas experimentales planificadas

Problema sin resolver en física
¿Se desintegran los protones ? Si es así, ¿cuál es su vida media ? ¿Puede la energía de enlace nuclear influir en esto?
Más problemas sin resolver en física

Actualmente se está construyendo un detector Kamiokande de tercera generación, denominado Hyper-Kamiokande , que será aproximadamente 5,2 veces más masivo que Super-Kamiokande (aproximadamente 8 veces mayor en volumen fiducial) y está diseñado para comenzar a tomar datos en 2028. Alcanzará sensibilidades entre 3 y 5 veces mejores que Super-Kamiokande después de 10 años de toma de datos. [ 32 ]

Otros experimentos importantes que tendrán sensibilidades competitivas en la búsqueda de desintegración de protones son JUNO en China (que comenzó a tomar datos en enero de 2026) y DUNE en Estados Unidos (diseñado para comenzar a tomar datos en 2031). Estos tres ambiciosos proyectos fueron propuestos y financiados originalmente principalmente para estudios de oscilación de neutrinos, pero no obstante podrán investigar la desintegración de protones con alta sensibilidad, como se resume en la siguiente tabla. [ 33 ]

En el siguiente gráfico se muestra la evolución temporal de los límites experimentales en dos canales de desintegración de protones, junto con las predicciones de diferentes modelos teóricos.

Motivación teórica

El concepto central de las Teorías de Gran Unificación (GUT) incorpora el grupo de calibres del Modelo Estándar (SM).SU(3)do×SU(2)L×U(1)Y{\displaystyle \textstyle SU(3)_{C}\times SU(2)_{L}\times U(1)_{Y}}en un grupo más grande y no abelianoGRAMOGRAMOUT{\displaystyle \textstyle G_ {GUT}}, unificándolos bajo un único acoplamiento de calibre . Fundamentalmente, la cuantización de la carga eléctrica surge de forma natural, ya que el operador de carga eléctrica es un generador deGRAMOGRAMOUT{\displaystyle \textstyle G_ {GUT}}. El canal de desintegración preferido de esas teorías es p → e + + π 0 .

Las teorías GUT encuentran un fuerte respaldo en la convergencia de las tres constantes de acoplamiento del Modelo Estándar . Estas corresponden a las interacciones fundamentales: α 1 para la interacción electromagnética ( hipercarga ), α 2 para la interacción débil y α 3 para la interacción fuerte . Siguen ecuaciones de grupo de renormalización : α 3 aumenta a bajas energías ( libertad asintótica por debajo de ~1 GeV), mientras que α 1 y α 2 disminuyen, de modo que convergen, pero no se encuentran exactamente, a una energía del orden de 10 15 GeV, que resulta ser la escala de energía natural de las GUT, como se muestra en la siguiente figura.

En esta sección, se presentan brevemente los principales modelos de la Teoría de Gran Unificación (GUT) y sus variantes, centrándonos en sus predicciones sobre la desintegración del protón. Para una visión general completa de las Teorías de Gran Unificación , consulte el artículo correspondiente.

SU(5) : introducido en 1974 por Georgi y Glashow, [ 10 ] es la elección mínima para la unificación en un grupo simple. Una generación SM de partículas proviene de10⊕5¯{\displaystyle \textstyle 10\oplus {\overline {5}}}multipletes de SU(5), y la escala del acoplamiento de gran unificación es de aproximadamente 10 15 GeV. SU(5) proporciona una predicción bastante precisa para la vida media del protón.τpag{\displaystyle \textstyle \tau _ {p}}, gracias a su único patrón de ruptura de simetría hasta el grupo de calibre del Modelo Estándar, dado porτPAG∼AMETROincógnita4αgramo2METROPAG5{\displaystyle \textstyle \tau _{P}\sim {\frac {AM_{X}^{4}}{\alpha _{g}^{2}M_{P}^{5}}}}, dóndeαgramo∼1/40{\displaystyle \textstyle \alpha _ {g}\sim 1/40}es el acoplamiento de gran unificación y A contiene detalles de los elementos de matriz hadrónicos. Suponiendo M X en la escala de unificaciónΛGRAMOUT{\displaystyle \textstyle \Lambda _ {GUT}}, esto llevó a una predicción, en 1981 con los valores de los parámetros SM conocidos en ese momento, deτpag∼3.2⋅1029±1.3{\displaystyle \textstyle \tau _ {p}\sim 3.2\cdot 10^{29\pm 1.3}}años. [ 34 ]

SO(10) : Mientras que SU(5) mínimo requiere dos representaciones separadas por generación del SM (más, en caso de ser necesario, un singlete adicional para el neutrino diestro del mecanismo de seesaw , no restringido por la escala GUT), SO(10) unifica cada generación, incluido el singlete del neutrino diestro, en una única representación espinorial de 16 dimensiones. [ 35 ] Existen varios patrones de ruptura de múltiples pasos posibles desde SO(10) al grupo de gauge del SM, lo que hace que las predicciones de la vida media de desintegración del protón no sean únicas y dependan del modelo. [ 36 ] [ 37 ]

Se prevé que las tres constantes de acoplamiento coincidan perfectamente en un único punto cuando se introduzca la supersimetría .

En la supersimetría (SUSY), cada fermión (bosón) está duplicado por un bosón (fermión) compañero. Estas partículas adicionales ralentizan la dependencia energética logarítmica de las constantes de acoplamiento en función de la masa de unificación, de modo que esta crece hastaMETROGRAMOUT∼2×1016{\displaystyle \textstyle M_{GUT}\sim 2\times 10^{16}}GeV, [ 38 ] prediciendo una vida útil del protón más larga. [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]

Sin embargo, SUSY también introduce operadores de dimensión 5 que pueden contribuir a la desintegración del protón con tiempos de desintegración mucho más cortos. [ 42 ] Para suprimir estas contribuciones se invocan simetrías adicionales, con el resultado de que se desintegra en quarks y leptones en otra generación que (u, d, e,νmi{\displaystyle \textstyle \nu _ {e}}) son favorecidos, por ejemplopag→ν¯μK+{\displaystyle \textstyle p\rightarrow {\overline {\nu }}_{\mu }K^{+}}o pag→μ+K0{\displaystyle \textstyle p\rightarrow \mu ^{+}K^{0}}. [ 43 ] [ 44 ] También son posibles extensiones SUSY de SO(10). [ 45 ] [ 46 ]

Otras posibles modificaciones de SUSY SU(5) que permiten una vida útil del protón más larga incluyen SU(5) invertido :SU(5)→SU(5)×U(1)Y{\displaystyle \textstyle SU(5)\rightarrow SU(5)\times U(1)_{Y}}donde Y es la hipercarga débil, que suprime de forma natural los operadores de dimensión 5 para la desintegración del protón; o SU(5) en SUSY dividida , [ 47 ] donde la simetría se rompe en el Modelo Estándar a escalas muy altas, con el parámetro de masa de Higgs finamente ajustado en la teoría efectiva de baja energía. Entre otras cosas, esta teoría predice valores muy altos para la desintegración del protón. [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]

SUSY SU(5) puede extenderse para incluir supergravedad o dimensiones extra . SUGRA SU(5) es una teoría de gran unificación supersimétrica basada en el grupo de gauge SU(5) dentro del marco de la supergravedad (SUGRA). [ 51 ] Se han calculado predicciones de la vida media del protón en SUSY SU(5) a partir de modelos de 5 dimensiones (5D); [ 52 ] y en variantes de la teoría de cuerdas utilizando D6-branas y orientifolds. [ 53 ]

Como consideración final, si bien la supersimetría aborda muchos problemas teóricos interesantes, [ 54 ] su predicción de la masa de las partículas supersimétricas más ligeras en la escala de TeV ha sido severamente igualada por los resultados del LHC . [ 55 ]

Las predicciones sobre la vida media de desintegración del protón se resumen en la siguiente tabla. Al comparar estas predicciones con las sensibilidades esperadas en futuros experimentos, queda claro que estos nunca podrán descartar por completo la amplia gama de modelos posibles. Sin embargo, abarcarán la mayor parte de las vidas medias predichas, ofreciendo un gran potencial de descubrimiento si los modelos GUT se confirman en la naturaleza y una notable capacidad para limitar la construcción de dichos modelos.

operadores de decaimiento

Operadores de desintegración de protones de dimensión 6

Desintegración de un protón en dimensión 6 de SU(5) mediada por un bosón X.
Operador de desintegración de protones SUSY de dimensión 4 mediado por un squark virtual.
Operador SUSY de dimensión 5 para la desintegración del protón (ver texto).

En SU(5), la desintegración del protón se genera mediante operadores de dimensión -6 a través de la interacción de tres quarks y un leptón que intercambian un bosón X con masaMETROincógnita∼ΛGRAMOUT{\displaystyle M_{X}\sim \Lambda _{GUT}}Son suprimidos por factoresMETROincógnita−4{\displaystyle \textstyle M_{X}^{-4}}. Todos estos operadores violan la conservación del número bariónico ( B ) y del número leptónico ( L ), pero no la combinación B − L   .

Operadores de desintegración de protones en dimensión 4

En los modelos estándar supersimétricos mínimos (MSSM), son posibles los operadores de dimensión 4, donde dos quarks del protón se aniquilan en un squark virtual, que luego decae en un leptón y otro quark, resultando típicamente en un estado final como p → e + π 0 . Estos se suprimen por un factor1/ΛMETROSSMETRO4{\displaystyle \textstyle 1/{\Lambda _{MSSM}^{4}}}; desdeΛMETROSSMETRO{\displaystyle \textstyle {\Lambda _{MSSM}}}es del orden de 1 TeV (13 órdenes de magnitud menor queΛGRAMOUT{\displaystyle \textstyle {\Lambda _{GUT}}}) los tiempos de vida del protón resultan ser demasiado cortos. Para prohibir estos operadores, se debe imponer una nueva simetría: la paridad R. [ 57 ] Esta simetría también estabiliza la partícula supersimétrica más ligera como candidata a materia oscura.

Operadores de desintegración de protones de dimensión 5

También son posibles operadores de dimensión 5 en modelos supersimétricos, incluso después de la introducción de la paridad R, por ejemplo, donde un intercambio de Higgs de triplete de color pesado (representado por las líneas internas de Higgsino)Ψh3{\displaystyle \textstyle \Psi _{h3}}) está "vestido" por un bucle que contiene un gluino (incógnitaGRAMO~{\displaystyle \textstyle \mathrm {X} _{\widetilde {G}}}) y squarks (Φd,Φs{\displaystyle \textstyle \Phi _{d},\Phi _{s}}Este mecanismo permite la desintegración de un protón en un kaón y un neutrino muónico.pag→ν¯μK+{\displaystyle \textstyle p\rightarrow {\overline {\nu }}_{\mu }K^{+}}Estos operadores son suprimidos por un factor.1/ΛMETROSSMETRO2ΛGRAMOUT2{\displaystyle \textstyle 1/{\Lambda _{MSSM}^{2}}\Lambda _{GUT}^{2}}, por lo que es necesario un ajuste del MSSM para predecir vidas medias de protones mayores de 10 34 años.

Referencias

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